大坝扩建对土地利用和景观格局的全球性影响

《Resources, Conservation and Recycling》：Global impacts of dam expansion on land use and landscape pattern

大坝建设时空格局及对全球土地利用与景观格局的影响分析，基于1984-2018年6763座大坝的全球数据，揭示近坝区（0-2km）土地利用动态性显著高于远坝区（3-5km），其中灌溉大坝的景观破碎化效应最强，近20年全球大坝数量趋于稳定，但发展中国家仍为新建大坝主要区域。

　　

肖驰伟|傅轩|向明涛|杰弗里·奇武伊肯·奇亚卡

中国科学院地理科学与自然资源研究院，北京 100101，中国

摘要

水坝对水资源安全和能源供应至关重要，但它们也对陆地生态系统构成了重大挑战。大多数现有研究都集中在单一地区，缺乏对各种类型水坝对土地利用和土地覆盖变化（LULC）以及景观格局影响的全面分析，更缺乏在全球范围内的梯度效应研究。本研究系统地分析了全球水坝在其5公里梯度缓冲区内对周围环境的影响，使用了1984年至2018年间全球水坝追踪系统（GDAT）中记录的6763座水坝的数据，以及GLC_FCS30D全球30米分辨率LULC数据（1985–2020年），并结合了土地利用动态和景观格局指数。结果显示，1984年至2018年间，新建设的水坝主要集中在亚洲（3277座）和非洲（2079座）的发展中国家。这些水坝中，大部分用于灌溉（32%）和水电发电（20%）。水坝的建设导致5公里缓冲区内不透水表面的增加了120%，森林砍伐率增加了6%，且水坝附近区域（0–2公里）的土地利用动态性明显高于远水坝区域。其中，灌溉用水坝的影响衰减最快，表明其对周围土地利用动态的影响最为显著。1995年后，景观破碎化程度（斑块密度PD）增加，香农多样性指数（SHDI）上升，而聚合指数（AI）和平均斑块面积（AREA_MN）下降。我们的研究为评估水坝的生态影响及其在全球范围内的可持续管理提供了参考依据。

引言

人类活动显著影响了生态系统的结构和功能，导致土地利用发生重大变化，包括水坝的建设（Annys和Frankl，2025）。水坝最初用于控制洪水和管理灌溉用地，后来逐渐扩展到提供工业用水、发电和改善通航条件。21世纪以来，人口增长、经济发展、气候变化以及能源供需推动了可再生能源的探索（Deshmukh等人，2023）。作为清洁能源之一，水电在可持续发展中发挥着关键作用，并引发了新一轮大型水坝建设的热潮（Zarfl等人，2015）。据报道，目前全球共有80万座水坝。值得注意的是，20世纪下半叶是水坝建设的高峰期，尤其是大型水坝。水坝建设对环境、经济、社会和公共服务等多个方面产生了影响（Zhang和Gu，2023）。然而，随着大型水坝建设的推进，负面影响逐渐显现，引发了激烈的讨论（Schulz和Adams，2019）。高昂的社会经济成本、温室气体排放以及对生态环境的负面影响（包括水量和水质、生物多样性和渔业）导致公众对新大型水坝的支持度显著下降（Couto和Olden，2018）。为了平衡经济和资源需求与生态保护，迫切需要量化水坝建设的生态足迹。

全球59%的河流系统被水坝阻断，对周围生物群落产生了严重影响，引发了多种生态风险，并间接影响了社会经济活动（Nilsson等人，2005）。研究指出，人们对水电水坝建设的环境影响日益关注（Kuriqi等人，2021；Pestana等人，2019）。这些研究通常集中在特定区域，如大陆、气候带或河流流域（B. B. Li等人，2021；Pestana等人，2019；Shuka等人，2022），甚至单个水坝（Golbaf等人，2025）。上述研究主要关注水生生态系统（Castello和Macedo，2016；Pestana等人，2019）、土地利用和土地覆盖变化（LULC）（Shuka等人，2022）以及时空影响（Li等人，2021）、驱动因素（Castello和Macedo，2016）和生态后果。特别是开发了水坝生态环境效应指数（DEEI）来探讨水坝对生态环境的时空影响（Li等人，2021）。然而，由于全球数据获取的限制，该定量指数所需的各种类型的数据在全球范围内尚不可得。

一般来说，LULC可以可视化生态过程和生态系统服务对环境变化的响应，以及它们对景观格局变化的影响（Song和Deng，2017；Zhai等人，2025）。人类活动导致的景观破碎化和连通性降低往往会导致生物多样性的丧失和生态系统功能的退化（Baral等人，2014）。这些变化危及区域内的动植物以及人类的栖息地和生活质量。因此，LULC和景观格局变化提供了可视化水坝建设引起的地表景观变化的视角，并间接反映了生态效应（Foley等人，2005）。最近，关于水坝对土地利用影响的研究主要集中在特定流域；例如，Wang等人（2025）利用中国金沙江上的梯级水电站研究了梯级水坝建设对高山地区河岸植被的影响。Almalki等人（2025）的研究表明，水坝建设会显著影响周围地区的植被覆盖。

针对单个流域的水坝LULC研究普遍得出结论：建设用地扩大，植被减少（Golbaf等人，2025；Htwe和Htoo，2025）。LULC和景观格局指数的结合已被应用于交通走廊（Xiao等人，2024）、武装冲突地区（Zheng等人，2023）和沿海地区（Zhai等人，2025）的生态变化研究。小型径流式水电站（SHPs）的生态效应已在全球范围内得到研究，但不同类型水坝对LULC和整个生态系统的影响知之甚少（Kuriqi等人，2021）。此外，关于水坝影响的空间异质性研究不足，尤其是距离衰减效应。巧合的是，包含超过35,000座水坝的全球水坝追踪系统（GDAT）于2023年发布（Zhang和Gu，2023），为研究水坝对全球土地利用和生态环境的影响提供了可靠的数据。因此，这一时期是追踪水坝建设生态和环境影响的合适起点。然而，全球水坝影响分析仍存在一些局限性，例如缺乏LULC和景观格局的联合评估、无法量化全球范围内的梯度效应，以及缺乏对不同类型水坝整体影响的全面评估（Huang等人，2020；Soressa和Gebre-Egziabher，2024）。

在这里，我们结合使用GDAT全球水坝数据库和GLC_FCS30D土地覆盖动态数据集，通过多环缓冲分析（0–5公里）来研究1984年至2018年间建设的水坝的时空分布及其对全球环境的影响，包括LULC和景观格局的变化。这种方法能够系统地探讨水坝影响的距离衰减模式，超越单一地区或单一水坝的案例研究，提供全面的全球视角。其主要目标是：（1）1984年至2018年间水坝建设的时间和空间模式是什么？（2）水坝如何影响其周围缓冲区内的LULC？（3）水坝如何影响其周围缓冲区内的景观格局特征？本研究旨在深入了解水坝扩张驱动的景观破碎化机制，并为评估不同空间梯度下的生态影响提供科学依据，这对于制定有针对性的缓解策略至关重要。

数据

本研究分析了1984年至2018年间建造的所有类型的水坝数据，这些数据来自全球水坝追踪系统（GDAT）。GDAT可在https://doi.org/10.5281/zenodo.7616851免费获取。该数据库整合了来自政府机构、学术界和非营利组织的全球和地区数据，记录了35,140座水坝的详细信息，包括每个水坝的区域、高度、用途、建设和完成年份等属性，并经过了验证的地理编码。

方法

本文采用的技术方法和分析框架见图2。

全球水坝的时空变化特征

图2a显示了自1984年以来水坝年增长量的下降趋势，表明过去35年全球对水坝建设和投资的需求逐渐减少。1984年至2018年间，亚洲新建水坝的数量最多（六大洲中占48.7%），其次是非洲（30.9%）和北美洲（11.5%）。南美洲的情况除外，该地区的新建水坝数量在这段时间内有所增加。

水坝建设的争议

本研究揭示了全球水坝建设导致的人工表面扩张和自然植被减少的普遍现象，量化了由此产生的景观破碎化。1984年至2018年间，全球水坝建设数量有所下降。全球水坝总数趋于稳定，新水坝主要集中在亚洲、非洲和南美洲的发展中国家。这反映了发展中国家优先事项的变化。

结论

本研究利用梯度缓冲区，基于GDAT和GLC_FCS30D数据，测量了1984年至2018年间水坝建设对陆地生态系统的梯度影响，发现全球水坝建设数量有所下降，但生态压力依然存在。研究结果强调了这样一个概念模型：水坝扩张推动了土地利用和土地覆盖变化（例如不透水表面的增加），导致景观破碎化（表现为聚合指数AI下降和香农多样性指数SHDI上升），最终导致生物多样性等生态后果。

作者贡献声明

肖驰伟：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、方法论设计、资金筹集、概念构思。傅轩：初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、数据整理。向明涛：审稿与编辑、验证、正式分析。杰弗里·奇武伊肯·奇亚卡：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42371280、42130508、42001226）和中国科学院地理科学与自然资源研究院“科振- Bingwei优秀青年科学家计划”（2022RC002）的支持。